基于運營能力的點式ATC系統(tǒng)可行性研究

魯秋子

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037）

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，城市軌道交通線路類型逐漸多樣化，不僅包括城市核心區(qū)的大運量地鐵項目，還包括郊區(qū)線、市域鐵路、城際鐵路等。這些項目的客流、最高運行速度、行車間隔、運營要求不盡相同。近來，在信號系統(tǒng)列車控制方案的選擇上，越來越多的此類項目在可行性研究和初步設(shè)計階段將點式列車自動控制（ATC，Automatic Train Control）系統(tǒng)作為主方案與基于通信的列車自動控制（CBTC，Communication Based Train Control）系統(tǒng)進行比選。

對于列車控制系統(tǒng)的選擇，大多數(shù)研究者主要從信號系統(tǒng)閉塞制式控制原理、技術(shù)經(jīng)濟特點等方面對信號制式的選擇進行研究，沒有具體分析不同線路條件下運營能力對方案選擇的影響，如文獻[1-2]。文獻[3]給出了常規(guī)閉塞制式下追蹤間隔計算模型，針對城市軌道交通點式ATC系統(tǒng)的追蹤間隔模型還未有分析。本文主要對點式ATC系統(tǒng)運營能力進行分析，依據(jù)點式ATC系統(tǒng)下列車運行的特點，計算不同速度等級、不同長度列車下點式系統(tǒng)的最小追蹤間隔，并根據(jù)計算結(jié)果確定方案的可行性，為信號控制系統(tǒng)方案的比選提供依據(jù)。

1 點式ATC系統(tǒng)概述

目前，城市軌道交通信號系統(tǒng)普遍采用CBTC系統(tǒng)，基于計軸和有源信標(biāo)的點式ATC系統(tǒng)可作為CBTC主系統(tǒng)的降級系統(tǒng)。點式ATC系統(tǒng)在車地?zé)o線通信中斷，或者初期未能開通CBTC系統(tǒng)時，可維持一定水平的自動運營，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活、可靠性高、價格低等優(yōu)勢，但是較CBTC系統(tǒng)的追蹤能力和功能方面稍弱。

點式ATC系統(tǒng)是采用高信息容量的點式通信設(shè)備（如信標(biāo)）進行地對車通信的列車控制系統(tǒng)，列車制動的終點總在某一個分區(qū)的邊界，其閉塞制式屬于固定閉塞[4]。

在點式ATC系統(tǒng)下，前行列車在閉塞分區(qū)內(nèi)運行時，列車的安全運行間隔從本架信號機到下一架信號機，后續(xù)列車的追蹤點在防護該閉塞分區(qū)的信號機外方，保證列車不會進入被防護區(qū)域。當(dāng)前行列車駛出閉塞分區(qū)，信號開放的信息由有源信標(biāo)傳送至后續(xù)列車，后續(xù)列車根據(jù)讀取相關(guān)進路信息計算列車的速度防護曲線。

如圖1所示，區(qū)間的進路防護信號機前設(shè)置有預(yù)告信標(biāo)，可以避免列車在區(qū)間不必要的停車。預(yù)告信標(biāo)設(shè)置在與其關(guān)聯(lián)的信號機的停車制動曲線的變速點前，以使列車能夠不減速、高速通過[5]。

圖1 點式ATC系統(tǒng)布點示意圖

2 點式ATC系統(tǒng)能力計算

2.1 線路通過能力

在地鐵的設(shè)計過程中，線路通過能力是一個重要評價參數(shù)。

通過能力是指在采用一定的車輛類型、信號設(shè)備和行車組織方法條件下，軌道交通系統(tǒng)線路的各項固定設(shè)備在單位時間內(nèi)通過的列車數(shù)[6]。

城市軌道交通線路通常采用雙線自動閉塞，每站停車，列車追蹤運行。線路通過能力的計算公式如下[7]：

其中，nmax—線路最大通過能力，即單位小時內(nèi)能通過的最大列車數(shù)，列；h—列車追蹤間隔時間。

2.2 點式ATC系統(tǒng)下列車追蹤運行

計算線路通過能力的關(guān)鍵是確定列車追蹤間隔時間。列車追蹤間隔時間是運行的兩列車之間的最小允許間隔時間，主要取決于軌道交通所采用的信號制式、列車長度、站臺限速、停站時間等因素。

在點式ATC系統(tǒng)下列車追蹤運行，后續(xù)列車的運行位置取決于前行列車的運行位置。當(dāng)前行列車出清閉塞分區(qū)，在確保行車安全的條件下，后續(xù)列車以列車運行圖規(guī)定的速度經(jīng)過信號機前方的預(yù)告信標(biāo)，接收進路開放信息，計算相應(yīng)的列車運行曲線，此時后車運行不受前車影響[8]。

2.3 點式ATC系統(tǒng)最小追蹤間隔時間計算

為便于闡述點式ATC系統(tǒng)下列車最小追蹤間隔的原理，筆者做出以下合理化的假設(shè)。假定列車長度為L列，安全距離為L安，列車制動前最大速度為Vmax，前后兩列車都具有相同的啟動加速度a、制動減速度b，信號制動反應(yīng)時間為t信，停站時間為t停。

如圖2所示，前行列車出清閉塞分區(qū)并駛過安全防護區(qū)段時，后續(xù)列車剛好到達預(yù)告信標(biāo)接收到前方進路開放的信號，預(yù)告信標(biāo)至信號機之間的長度為制動距離加制動反應(yīng)時間內(nèi)所行使的距離，即：

圖2 點式ATC系統(tǒng)列車追蹤運行示意圖

在點式ATC系統(tǒng)下，列車安全間隔時間T，由以下3部分組成：

（1）t安+t列：當(dāng)列車在區(qū)間運行時，其值為：

當(dāng)前行列車出清車站并駛過安全防護區(qū)段L安所需要的時間，其計算分為兩種情況：

a.前行列車駛過防護區(qū)段加一列車長距離后，達到最大速度Vmax，即前行列車以加速度a出清車站并駛過距離L安。此時，則有

b.前行列車駛過防護區(qū)段加一列車長距離內(nèi)，達到最大速度Vmax，即時，前行列車以加速度a運行至Vmax，然后以速度Vmax勻速運行，共駛過距離 L安+L列。此時則有

（2） t勻：后續(xù)列車以最大速度Vmax勻速駛過閉塞分區(qū)L閉所需要的時間，其值為

（3） t制：后續(xù)列車在預(yù)告信標(biāo)以最大速度Vmax制動到停穩(wěn)所需要的時間，其值為

因此，列車在區(qū)間的安全間隔時間T區(qū)為： T區(qū)=t信+(t安+t列)+t勻+t制，即

列車在車站的安全間隔時間T站為：T站= t信+t停+(t安+t列)+t勻+t制，即 ：

3 能力影響因素分析

點式ATC系統(tǒng)下，區(qū)間內(nèi)追蹤間隔可以通過增加信號機布點使其滿足要求，從原理上來說，追蹤列車間隔時間在車站區(qū)域內(nèi)會較大，即列車追蹤間隔時間取決于各車站的列車追蹤間隔時間[9]。因此，重點分析車站追蹤間隔的影響因素。

對于同一條線路而言，列車性能參數(shù)相同，信號反應(yīng)時間和停站時間固定，安全距離長度固定。閉塞區(qū)間長度可通過信號機布點進行控制。因此，本節(jié)主要分析最高運行速度，列車長度對最小追蹤間隔的影響。

為便于分析比較，本文車站停站時間均假定為30 s，安全距離長度50 m。列車采用通用參數(shù)，列車編組分為4B（80 m）、6B（120 m）、8B（160 m），啟動平均加速度1.0 m/s2，常用制動減速度0.8 m/s2，緊急制動減速度不低于1.2 m/s2。

3.1 最高運行速度對列車追蹤間隔時間的影響

點式系統(tǒng)下為保證運營能力，在車站處設(shè)置的閉塞分區(qū)長度一般較短。城市軌道交通運行速度等級主要有80 km/h、100 km/h、120 km/h。根據(jù)理論計算，在最高運行速度高于80 km/h的城市軌道交通運行中，列車運行速度越低，最小追蹤間隔時間越短，線路通過能力越好。

3.2 列車長度對追蹤間隔的影響

列車長度與最小追蹤間隔時間成正比。列車長度越短，最小追蹤間隔越小，線路通過能力越好。

4 實例分析

本次研究選取城市軌道交通中不同速度等級的一些代表線路，包括青島藍色硅谷線（120 km/h）、北京昌平線（100 km/h）、北京7號線（80 km/h）進行模擬分析。依據(jù)全線線路平縱斷面圖、全線限速表及車輛性能參數(shù)，采用Open Track仿真軟件對列車運行過程進行建模仿真。并進一步延伸假定了更多的列車編組，分為4B（80 m）、6B（120 m）、8B（160 m）進行計算。

信號系統(tǒng)采用基于計軸和有源信標(biāo)的點式ATC系統(tǒng)。進路建立時間5 s，車載設(shè)備反應(yīng)時間1 s。既有線路信號布點按照系統(tǒng)降級至點式下3 min布置。

實例分析選取的3條地鐵線路，并根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》中 “系統(tǒng)設(shè)計遠期最大能力應(yīng)滿足行車密度不小于30對/h”的要求[10]進行設(shè)計，因此最小追蹤間隔時間不能大于120 s。列車運行過程中會受到多種因素的干擾，為保證列車能夠按照計劃運行圖到達，列車實際間隔發(fā)車比理論發(fā)車間隔時間長，需添加一個額外的附加時間，因此，考慮理論計算值不應(yīng)大于110 s，在實際運行過程中可滿足規(guī)范要求。

通過計算，區(qū)間內(nèi)的追蹤間隔可以通過信號布點使其滿足運營能力需求。不同長度的列車在3條不同速度等級的線路上運行的最小追蹤間隔時間主要取決于車站的追蹤間隔時間。需要增加的信號布點數(shù)量及不同情況下的最小追蹤間隔時間如下。

4.1 青島藍色硅谷線

青島藍色硅谷線全長約58.35 km，設(shè)置車站22座。線路最高運行速度為120 km/h。

在最高運行速度為120 km/h的情況下，將進站信號機盡可能地靠近站臺邊緣，正線區(qū)間可在4B編組下達到110 s追蹤間隔時間，6B編組下達到120 s追蹤間隔時間。8B編組列車無法達到2 min追蹤間隔時間要求。

為達到2 min追蹤間隔時間，需增加信號機布點如下：

下行，有16個區(qū)間需在進站處增加信號機及相應(yīng)信標(biāo)；有4個區(qū)間需在區(qū)間增加區(qū)間通過信號機。

上行，有16個區(qū)間需在進站處增加信號機及相應(yīng)信標(biāo)；有3個區(qū)間需在區(qū)間增加區(qū)間通過信號機。

共增加信號機39架。

4.2 昌平線

昌平線線路全長約31.7 km，設(shè)置車站12座。線路最高運行速度為100 km/h。

在最高運行速度100 km/h的情況下，4B編組列車追蹤間隔時間在100 s內(nèi)，6B編組列車追蹤間隔時間在110 s內(nèi)，8B編組的列車達不到120 s追蹤間隔時間。

為達到2 min追蹤間隔時間，需在原信號平面布置圖上增加設(shè)備布點如下：

下行，有5個區(qū)間需在進站處增加信號機及相應(yīng)信標(biāo)。

上行，有7個區(qū)間需在進站處增加信號機及相應(yīng)信標(biāo)。

共增加信號機12架。

4.3 北京7號線

北京7號線線路全長約22.8 km，設(shè)置車站21座。線路最高運行速度為80 km/h。

在最高運行速度80 km/h的情況下，4B、6B追蹤間隔時間均能在110 s內(nèi)。8B編組追蹤間隔時間在120 s以內(nèi)。

為達到2 min追蹤間隔時間，需在原信號平面布置圖上增加設(shè)備布點如下：

下行，有17個區(qū)間需在進站處增加信號機及相應(yīng)信標(biāo)。

上行，有11個區(qū)間需在進站處增加信號機及相應(yīng)信標(biāo)。

共增加信號機28架。

4.4 對比分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果，得到表1。從表1可以看出，列車運行速度越低、閉塞分區(qū)及列車長度越短，最小追蹤間隔越小，線路通過能力越好，與理論計算模型分析結(jié)果一致。

表1 不同編組列車區(qū)間追蹤間隔時間對比表

表1中，最小追蹤間隔時間≤110 s的部分，滿足地鐵設(shè)計規(guī)范運營能力的要求，可采用點式ATC系統(tǒng)。對于＞110 s的部分，即使增加信號機也不能滿足規(guī)范要求，對于2 min運營間隔時間要求的線路不適用。若線路的運營能力要求不高，行車間隔時間要求達到2 min30 s 以上，則均可考慮采用點式ATC系統(tǒng)。

當(dāng)然，在列車控制系統(tǒng)選擇中，地面設(shè)備的復(fù)雜程度也需要考慮，由于各個運營方對于設(shè)備復(fù)雜程度要求不一，本文僅給出不同線路的地面信號設(shè)備增加數(shù)量作為參考，建議在實際設(shè)計過程中，結(jié)合實際運營要求進行分析。

5 結(jié)束語

面對日益多樣化的城市軌道交通項目類型，本文以點式ATC系統(tǒng)下列車運行原理為依據(jù)，給出列車在最小追蹤間隔時間計算模型及其影響因素，通過仿真計算得出不同速度等級和列車長度下最小追蹤間隔時間的計算值及變化規(guī)律，為信號控制系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)。在今后的工作中，應(yīng)更深入的研究列車牽引制動全過程，同時考慮線路參數(shù)對模型的影響，進一步細化模型，使得結(jié)果更能貼近實際工程，更具說服力。